DE966222C - Process for the production of semiconducting layers of different resistance in a flat transistor - Google Patents
Process for the production of semiconducting layers of different resistance in a flat transistorInfo
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Description
Bei der Herstellung von Flächentransistoren wird bekanntlich von einem als Basis dienenden n- oder p-kitenden Halbleitereinkristall, z. B. einem zuvor mit Donatoren oder Akzeptoren verunreinigten Germaniumeinkristall, ausgegangen und in diesem zwei sich nicht berührende, verschiedenohmige, p- oder η-leitende Grenzschichten erzeugt. Diese Grenzschichten können beispielsweise durch Eindiffusion von einem geeignetenIn the manufacture of junction transistors, it is known that one is used as a base n- or p-kit end semiconductor single crystal, e.g. B. a previously contaminated with donors or acceptors Germanium single crystal, gone out and in this two non-touching, different resistance, p- or η-conductive boundary layers generated. These boundary layers can, for example by diffusion of a suitable one
ίο Störstellenmaterial in die Oberfläche des Einkristalls gewonnen werden. Bei einem n-leitenden Einkristall als Basis läßt man ein Akzeptoren lieferndes Material in die Oberfläche eindiffundieren, bei einem p-leitenden Einkristall muß ein Donatoren lieferndes Material in bezug auf den Einkristall verwendet werden. Je nach Anzahl der eindiffundierten Störstellenatome heben dann diese die entgegengesetzte Wirkung der schon vorher im Kristallverband des Einkristalls befindlichen Störstellenatome, wie bekannt, mehr oder weniger wieder auf. Durch geeignete Bemessung der Diffusionszeit und der Diffusionsgeschwindigkeit hat man es daher in der Hand, die ursprünglich vorhandene Leitfähigkeit des Einkristalls in den der Eindiffusion ausgesetzten Oberflächenschichten beliebig zu verändern und bei genügend lang anhaltender Diffusion sogar eine η-Leitfähigkeit in eine p-Leitfähigkeit oder eine p-Leitfähigkeit in eine η-Leitfähigkeit umzukehren.ίο Defect material in the surface of the single crystal be won. In the case of an n-type single crystal as the base, an acceptor is left supplying material diffuse into the surface, in the case of a p-conducting single crystal a Donor donor material can be used with respect to the single crystal. Depending on the number of Diffused-in impurity atoms then raise these the opposite effect of the previously im Crystal association of the single crystal located impurity atoms, as known, more or less back on. By appropriately dimensioning the diffusion time and the diffusion rate it is therefore in the hand, the originally existing conductivity of the single crystal in the Surface layers exposed to diffusion can be changed at will and for a sufficiently long period of time Diffusion even an η-conductivity into a p-conductivity or a p-conductivity into to reverse an η-conductivity.
Nach einem bekannten Verfahren wird zur Durchführung dieser Diffusionsmethode das einzudiffundierende Akzeptoren- oder Donatoren lie-According to a known method, the diffusion to be carried out is used to carry out this diffusion method Acceptors or donors
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fernde Störstellenmaterial in Form kleiner Pillen an den gewünschten Stellen mit der Oberfläche des Halbleitereinkristalls in Berührung gebracht und gleichzeitig die Temperatur so hoch gehalten, daß an der Berührungsfläche eine Legierungsbildung erfolgt. Es diffundiert dann bei dieser Temperatur jeweils eine kleinere oder größere Anzahl von Störstellenatomen aus der Legierungsschicht von Pille und Kristall in den Einkristall hinein, je nachdem, ίο wie lange das System hierbei der betreffenden Temperatur ausgesetzt ist und wie hoch diese Temperatur selbst ist. Die verschieden große Leitfähigkeit der beiden Grenzschichten die für Flächentransistoren wesentlich ist, kann hiernach in einfacher Weise durch unterschiedlich bemessene Diffusionszeiten und Temperaturen für die beiden Pillen erzeugt werden.distant impurity material in the form of small pills at the desired locations with the surface of the Brought semiconductor single crystal in contact and at the same time kept the temperature so high that an alloy is formed on the contact surface. It then diffuses at this temperature each a smaller or larger number of impurity atoms from the alloy layer of Pille and crystal into the single crystal, depending on ίο how long the system has been involved in this Temperature and how high that temperature itself is. The different levels of conductivity of the two boundary layers, which is essential for junction transistors, can afterwards in a simple way through differently measured diffusion times and temperatures for the two Pills are produced.
In der Abbildung ist der grundsätzliche Aufbau eines nach diesem bekannten Verfahren hergestellten Flächentransistors dargestellt, mit einer n-leitenden Basisschicht und zwei p-leitenden Grenzschichten (p-n-p-Transistorj. Mit ι ist z. B. ein die Basis darstellender Germaniumeinkristall bezeichnet, der zuvor durch Donatorenzusatz η-leitend gemacht wurde, und 2 und 3 sind zwei auf diesen auflegierte, mit Anschluß drähten versehene Pillen aus reinem Indium, die durch Abgabe von Akzeptoren an den Einkristall für das Zustandekommen der beiden verschiedenohmigen, p-leitenden Oberflächenschichten 4 und 5 zu sorgen haben. Letzteres geschieht, wie oben ausgeführt, zweckmäßig dadurch, daß man die für die Legierungsbildung erforderliche Temperatur, in diesem Falle 5000 C, für jede der beiden Pillen verschieden lange auf das System einwirken läßt. Besitzt z. B. der η-leitende Germaniumeinkristall einen spezifischen Widerstand von 0,1 Ω cm und soll die mit 4 bezeichnete, p-leitende Grenzschicht einen spezifischen Widerstand von 0,01 Ω cm und die andere mit 5 bezeichnete, ebenfalls p-leitende Grenzschicht einen spezifischen Widerstand von 10 Ω cm erhalten, so ist es erforderlich, daß die Indiumpille 2 während einer längeren Zeitdauer der Legierungstemperatur ausgesetzt ist als die Pille 3. Das Zeitverhältnis steht jedoch keineswegs im Verhältnis der spezifischen Widerstände der beiden Schichten, sondern ist durch die exponentiell mit der Zeit verlaufenden Diffusionsgesetze bestimmt. Man wird daher bei dem vorliegenden Beispiel zuerst die mit 2 bezeichnete Pille auf den Kristall auf legieren, diesen Vorgang jedoch nach einer bestimmten, durch die Diffusionsgesetze gegebenen Zeitspanne wieder abbrechen, bevor der für die betreffende Schicht gewünschte Widerstand erreicht ist. Dann wird man auch die Pille 3 mit dem Kristall an der dafür vorgesehenen Stelle in Berührung bringen, und nun das System mit beiden" Pillen nochmals der Legierungstemperatur aussetzen, bis beide Zonen 4 und 5 die gewünschten spezifischen Widerstände angenommen haben. Ist also für das Zustandekommen des kleineren spezifischen Widerstandes der Zone 4 bei einem einmaligen Prozeß beispielsweise eine Diffusionszeit von insgesamt 50 Sekunden erforderlich und für das Zustandekommen des größeren spezifischen Widerstandes der Zone 5 nur eine Zeit von 30 Sekunden, so wird man den ersten Legierungsvorgang bereits nach etwa 40 Sekunden durch Abkühlung abbrechen und anschließend das System mit beiden Pillen nochmals etwa 30 Sekunden lang der thermischen Behändlung unterwerfen. (Da jeder der beiden Teilvorgänge eine gewisse Anlaufzeit bis zum Erreichen der gewünschten Diffusionstemperatur benötigt, setzt sich die für einen einmaligen Prozeß erforderliche Gesamtzeit nicht additiv aus den Teilzeiten zusammen.)In the figure, the basic structure of a flat transistor manufactured according to this known method is shown, with an n-conducting base layer and two p-conducting boundary layers (pnp transistor j Donor additive has been made η-conductive, and 2 and 3 are two pills made of pure indium alloyed with connecting wires and provided with connecting wires, which, by releasing acceptors to the single crystal, ensure that the two different-resistance, p-conductive surface layers 4 and 5 are formed As explained above, the latter is expediently done by allowing the temperature required for alloy formation, in this case 500 ° C., to act on the system for a different length of time for each of the two pills Germanium single crystal has a specific resistance of 0.1 Ω cm and the p-type boundary layer designated by 4 should be a n specific resistance of 0.01 Ω cm and the other designated 5, also p-conductive boundary layer has a specific resistance of 10 Ω cm, it is necessary that the indium pill 2 is exposed to the alloy temperature for a longer period of time than the pill 3. However, the time relationship is in no way related to the specific resistances of the two layers, but is determined by the laws of diffusion that run exponentially over time. In the present example, therefore, the pill labeled 2 will first be alloyed onto the crystal, but this process will be terminated again after a certain period of time given by the laws of diffusion, before the desired resistance for the layer in question is reached. Then you will also bring the pill 3 into contact with the crystal at the intended point, and now expose the system with both "pills" to the alloy temperature again until both zones 4 and 5 have assumed the desired specific resistances For example, the smaller specific resistance of zone 4 requires a diffusion time of 50 seconds in total for a one-time process and only a time of 30 seconds for the higher specific resistance of zone 5 to occur, the first alloying process is already performed after about 40 seconds by cooling cancel and then subject the system with both pills to the thermal treatment for about 30 seconds again. (Since each of the two partial processes requires a certain start-up time to reach the desired diffusion temperature, the total time required for a one-time process is not additive from the partial times together.)
Aus den Darstellungen ist ersichtlich, daß der Nachteil dieses bekannten Verfahrens darin besteht, insgesamt zwei Arbeitsgänge erforderlich zu machen. Dieser Umstand sowie die Tatsache der hierdurch bedingten schlechten Reproduzierbarkeit machen daher dieses A^erfahren besonders als Herstellungsverfahren für große Stückzahlen ungeeignet. It can be seen from the illustrations that the disadvantage of this known method is to make a total of two work steps necessary. This fact as well as the fact of The poor reproducibility caused by this make this experience especially as a manufacturing process unsuitable for large quantities.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Herstellung versehiedenohmiger n- oder p-leitender Grenzschichten bei einem Flächentransistor durch Eindiffusion von Störstellenmaterial in die Oberfläche eines p- oder η-leitenden Halbleitereinkristalls bei gleicher Temperatur und gleicher Zeit in nur einem Arbeitsgang möglich zu machen und gleichzeitig die Reproduzierbarkeit zu verbessern. Diese Aufgabe wird gemäß der Erfindung dadurch gelöst, daß der Anteil an wirksamen Störatomen in dem auf den Halbleitergrundkörper aufzulegierenden Material für die verschiedenen Grenzschichten derart unterschiedlich gewählt wird, daß der gewünschte spezifische Widerstand der verschiedenen Grenzschichten bei gleich langer thermischer Behandlungszeit und gleicher Temperatur erhalten wird.The invention is based on the object of producing different-ohmic n- or p-conductors Boundary layers in a planar transistor due to the diffusion of impurity material into the surface of a p- or η-conducting semiconductor single crystal at the same temperature and time to make it possible in just one work step and at the same time to improve reproducibility. This object is achieved according to the invention in that the proportion of effective interfering atoms in the material to be alloyed onto the semiconductor base body for the various boundary layers is chosen so different that the desired specific resistance of the different Boundary layers with the same thermal treatment time and temperature is obtained.
Zur Herstellung der verschiedenohmigen Grenzschichten bei. einem Halbleitereinkristall soll also erfindungsgemäß nicht mehr von dem reinen Störstellenmaterial ausgegangen werden — in dem oben beschriebenen Beispiel die beiden Indiumpillen —, vielmehr soll dieses die Störstellen liefernde Material aus einer Legierung bestehen, welche außer einem Bestandteil mit den gewünschten Akzeptoroder Donatoreigenschaften auch noch einen Bestandteil enthält, welcher entweder in bezug auf den betreffenden Einkristall die entgegengesetzten Eigenschaften besitzt (Donatoren- oder Akzeptoren) oder sich neutral verhält. Im ersteren Falle diffundieren dann bei der thermischen Behandlung außer den gewünschten Akzeptoren oder Donatoren spendenden Atomen auch noch Störstellenatome mit entgegengesetztem Verhalten in den Einkristall hinein, so daß nur die Differenz ihrer jeweiligen Atomkonzentrationen in diesem zur Wirkung gelangt. Natürlich darf hierbei die Diffusionsgeschwindigkeit dieser nur zur Verdünnung der wirksamen Akzeptoren- und Donatorenkonzentration vorgesehenen Legierungskomponente im Einkristall nicht größer sein als diejenige des wirksamen Bestandteiles selbst. Wird diese Förde-For the production of the different resistance boundary layers. a semiconductor single crystal is supposed to according to the invention, the pure impurity material can no longer be assumed - in the one above described example the two indium pills -, rather this is supposed to be the material that provides the impurities consist of an alloy, which apart from one component with the desired acceptor or Donor properties also still contains an ingredient, which either with respect to the single crystal in question has the opposite properties (donors or acceptors) or behave neutrally. In the former case then diffuse during the thermal treatment In addition to the desired acceptor or donor-donating atoms, there are also impurity atoms with opposite behavior into the single crystal, so that only the difference between their respective Atomic concentrations in this come into effect. Of course, the rate of diffusion is only allowed to dilute the effective acceptor and donor concentration provided alloy component in Single crystal should not be larger than that of the active component itself.
rung nicht erfüllt, so tritt der Fall ein, daß die vorderste Diffusionsfront, welche besonders für das elektrische Verhalten der Grenzschicht verantwortlich ist, ausschließlich von der Atomart gebildet wird, welche die Leitfähigkeit des Einkristalls in dieser Zone gerade nicht in dem gewünschten Sinne zu verändern vermag. Bei einem η-leitenden Einkristall würde dies z. B. heißen, daß dann in dieser Zone durch die Eindiffusion nicht, wie beabsichtigt,tion is not met, the case occurs that the foremost diffusion front, which is particularly important for the electrical behavior of the boundary layer is responsible, formed exclusively by the type of atom which the conductivity of the single crystal in this zone is just not in the desired sense able to change. In the case of an η-conducting single crystal, this would e.g. B. mean that then in this Zone through the diffusion not as intended,
ίο die η-Leitfähigkeit des Einkristalls aufgehoben und in eine p-Leitfähigkeit umgekehrt würde, sondern im Gegenteil sogar die η-Leitfähigkeit durch die schneller eindiffundierten Donatoren spendenden Atome noch vergrößert werden würde. Im zweiten Fall, wo der andere Bestandteil neutral ist, hängt die jeweilige Wirkung nur von dem Anteil ab, mit welchem der erste Bestandteil in der betreffenden Legierung vertreten ist. Es muß jedoch in diesem Fall beachtet werden, daß der neutrale Bestandteil bis etwa 6o° C nicht dissoziiert, damit nicht etwa bei höheren Arbeitstemperaturen des Transistors auch dieser Bestandteil durch Abspalten von Elektronen einen Beitrag zur Leitfähigkeit liefert.ίο canceled the η conductivity of the single crystal and would be reversed into a p-conductivity, but on the contrary even the η-conductivity through the faster diffused donor donating atoms would be enlarged. In the second In the case where the other component is neutral, the respective effect only depends on the proportion with which the first component is represented in the alloy in question. However, it must be in this In case it should be noted that the neutral component does not dissociate up to about 6o ° C, thus not about higher working temperatures of the transistor also this component by splitting off electrons makes a contribution to conductivity.
Man hat es also in der Hand, durch Wahl der Legierungskomponenten und Wahl ihres prozentualen Anteils in gleichen Zeitintervallen und bei gleicher Temperatur gänzlich unterschiedliche Verunreinigungseffekte an verschiedenen Stellen des Kristalls zu erzielen. Es sei bemerkt, daß nicht sämtliche Störstellen liefernden Pillen aus einer Legierung bestehen müssen. Beispielsweise kann zur Herstellung von nur zwei verschiedenohmigen Grenzschichten bei einem Flächentransistor die eine Pille auch aus dem reinen Störstellenmaterial bestehen und nur die Atomkonzentration des wirksamen Bestandteiles in der anderen Pille durch Legierungsbildung verdünnt worden sein. Entscheidend ist nur, daß das Verhältnis der wirksamen Atomkonzentration für das Zustandekommen der gewünschten Widerstandswerte der verschiedenen Grenzschichten richtig gewählt ist.So you have it in your hand, by choosing the alloy components and choosing their percentage Totally different pollution effects at the same time intervals and at the same temperature to achieve at different points of the crystal. It should be noted that not all impurity-producing pills from one Alloy must exist. For example, it is possible to produce only two different resistance Boundary layers in a planar transistor, which a pill also consist of the pure impurity material and only the atomic concentration of the active ingredient in the other pill by alloying have been diluted. It is only decisive that the ratio of the effective atomic concentration for the occurrence of the desired resistance values of the various boundary layers is correctly selected.
An einem Zahlenbeispiel mögen die geschilderten Verhältnisse näher erläutert werden. Es sei wieder von einem als Basis dienenden η-leitenden Ger-The relationships described may be explained in more detail using a numerical example. It is again from an η-conductive device serving as a base
4-5 maniumeinkristall ausgegangen, in welcher zwei verschiedenohmige p-leitende Grenzschichten erzeugt werden sollen, und es sei angenommen, daß bei gleicher Diffusionszeit die geforderten Widerstandsverhältnisse der beiden p-leitenden Grenzschichten ein A^erhältnis von 3 : 1 der wirksamen Donatorenkonzentration in den beiden Pillen erforderlich machen. Dies läßt sich dann gemäß der Erfindung beispielsweise dadurch erzielen, daß die eine Pille aus einer Legierung mit 80% Indium und 20% eines Metalls mit Donatoreneigenschaft in bezug auf den Einkristall, wie z. B. Antimon oder Arsen besteht, während die andere Pille nur 60 % Indium, aber dafür 40 °/o Donatormaterial enthält. Da die Wirkung von Donatoren bekanntlich durch eine ihr äquivalente Menge von Akzeptoren gerade kompensiert wird, kommen in der ersten Pille nur 60% Donatoren (80 — 20%) zur Wirkung, die zweite Pille hat dagegen nur eine Donatorkonzentration von 20% (60-—40%) zur Verfügung.4-5 manium monocrystalline, in which two different ohmic p-type boundary layers are produced should be, and it is assumed that with the same diffusion time, the required resistance ratios of the two p-conducting boundary layers a ratio of 3: 1 of the effective Require donor concentration in the two pills. This can then be according to the Invention achieve, for example, that the one pill made of an alloy with 80% indium and 20% of a metal having a donor property with respect to the single crystal, e.g. B. Antimony or arsenic, while the other pill contains only 60% indium but 40% donor material. Since the effect of donors is known to be due to an equivalent amount of acceptors is being compensated, only 60% donors (80-20%) have an effect in the first pill, the second pill, on the other hand, only has a donor concentration of 20% (60-40%) Disposal.
Anstatt die erforderlichen Konzentrationsverhältnisse der beiden Akzeptoren spendenden Pillen durch eine Legierung aus Indium mit einem in bezug auf den Einkristall Donatoreneigenschaft besitzenden Bestandteil zu verwirklichen, könnte man auch so vorgehen, daß man das Indium mit einem in bezug auf Germanium neutralen Bestandteil legiert. Dann müßte die erste Pille bei denselben gewünschten Widerstandsverhältnissen für die beiden Grenzschichten wie zuvor aus 60% Indium (Akzeptormaterial) und 40% eines neutralen Materials, die andere Pille aus 2o°/o Indium und 80% eines neutralen Bestandteils bestehen.Instead of the required concentration ratios of the two acceptor-dispensing pills by an alloy of indium having a donor property with respect to the single crystal To realize a component, one could also proceed in such a way that the indium with one Alloyed as a neutral component with respect to germanium. Then the first pill would have to be with them desired resistance ratios for the two boundary layers as before from 60% indium (Acceptor material) and 40% of a neutral material, the other pill made of 2o% indium and 80% consist of a neutral component.
Es sei darauf hingewiesen, daß das Verfahren natürlich auch bei Flächentransistoren angewendet werden kann, die aus einer p-leitenden Basisschicht und η-leitenden Grenzschichten bestehen. Es muß in diesem Falle für die Legierungsbildung der beiden aufzusetzenden Pillen nur beachtet werden, daß diese als Hauptbestandteil ein Donatoren spendendes Material enthalten.It should be pointed out that the method is of course also used for junction transistors which consist of a p-conducting base layer and η-conducting boundary layers. It must in this case only pay attention to the alloying of the two pills to be put on, that these contain a donor-donating material as the main ingredient.
Wie sich gezeigt hat, kann man unter Umständen die gewünschte Akzeptoren- oder Donatorenkonzentration der die Störstellen liefernden Pillen auch durch Legieren mit einem Material gewinnen, welches in bezug auf den Einkristall die gleiche Störstelleneigenschaft wie das Grundmaterial der Pillen besitzt. Im Beispiel des p-n-p-Transistors kann beispielsweise die eine Pille aus einem reinen, Störstellen liefernden Material, wie z. B. Indium, bestehen, während die andere Pille aus einer Legierung von Indium und einem anderen, ebenfalls p-Störstellen erzeugenden Material, wie z. B. Kupfer, besteht. Obgleich ein Kupferatom dreimal so viele Störstellen wie ein Indiumatom im Germanium bildet, kann trotzdem, je nach der Menge des Kupferanteils in der Indium-Kupfer-Legierung, dieses zu einer Abschwächung oder einer Verstärkung der p-Störstellenbildung im Germanium gegenüber reinem Indium führen. Der Grund hierfür liegt darin, daß die der Pille zugesetzten Fremdatome auf Grund ihrer Struktur sich leichter oder schwerer in das Germaniumgitter einbauen lassen.As has been shown, the desired acceptor or donor concentration can be used under certain circumstances the pills that provide the imperfections can also be obtained by alloying with a material, which, with respect to the single crystal, has the same impurity property as the base material of Owns pills. In the example of the p-n-p transistor, for example, one pill can be made from a pure, Defect-producing material, such as. B. indium, while the other pill is made of an alloy of indium and another, also p-type impurity-generating material, such as. B. Copper. Although a copper atom has three times as many impurities as an indium atom in germanium nevertheless, depending on the amount of copper in the indium-copper alloy, this compared to a weakening or an intensification of the p-type impurity formation in germanium lead pure indium. The reason for this is that the foreign atoms added to the pill Due to their structure, they can be built into the germanium lattice more easily or more difficultly.
Analoges gilt natürlich auch für n-p-n-Transistoren, wo das reine n-Störstellen liefernde Material der einen Pille mit einem zweiten n-Störstellen liefernden Material legiert wird, während die zweite Pille wie vorher aus dem reinen n-Störstellen liefernden Material besteht.The same applies, of course, to n-p-n transistors, where the pure n-type impurity-producing material of which one pill is alloyed with a second n-type impurity-producing material, while the second pill, as before, consists of the pure n-type impurity-producing material.
Claims (4)
Deutsche Patentanmeldungen I 4677, 21g, 11/02,Considered publications:
German patent applications I 4677, 21g, 11/02,
USA.-Patentschrift Nr. 2 514 879, 2 504 628;
Zeitschrift für Naturforschung, Bd. 7 a (1952),S 27348, 21g, ii / o2, S 30275, 21g, 11/02;
U.S. Patent Nos. 2,514,879, 2,504,628;
Journal for Nature Research, Vol. 7 a (1952),
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| Country | Link |
|---|---|
| DE (1) | DE966222C (en) |
Citations (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US2504628A (en) * | 1946-03-23 | 1950-04-18 | Purdue Research Foundation | Electrical device with germanium alloys |
| US2514879A (en) * | 1945-07-13 | 1950-07-11 | Purdue Research Foundation | Alloys and rectifiers made thereof |
-
1952
- 1952-09-26 DE DET6752A patent/DE966222C/en not_active Expired
Patent Citations (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US2514879A (en) * | 1945-07-13 | 1950-07-11 | Purdue Research Foundation | Alloys and rectifiers made thereof |
| US2504628A (en) * | 1946-03-23 | 1950-04-18 | Purdue Research Foundation | Electrical device with germanium alloys |
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